聚丙烯腈纤维凝胶纺丝初生纤维取向的红外二向色性研究

作     者：章亚鑫 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹维宇

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：PAN纤维 凝胶纺丝 傅里叶红外光谱 广角X射线衍射 取向 二向色性 

摘      要：碳纤维作为一种高性能材料在军事,民事上已经有了广泛的运用,以聚丙烯腈为基体生产的碳纤维性能稳定,然而国内技术仍然与国外差距显著,技术封锁的现状导致对高强高模碳纤维的生产需求依旧迫在眉睫,而其间的机理则是攻克难关的关键。前人的研究表明,碳纤维的基础结构是类石墨结构,石墨片层沿着纤维轴向有序分布,而制造高性能碳纤维的关键则是获得具有高取向的网状结构。传统的湿法纺丝工艺生产的PAN原丝具有明显的皮芯结构,凝固时形成的紧密的皮层会阻碍芯部的双扩散过程,由此产生浓度差,导致皮层产生缺陷结构。同时,皮部在碳化过程中更容易石墨化,不均匀的石墨化程度对成品碳纤维的性能影响显著。凝胶纺丝由于其独特的相变机制,不存在皮层、芯层的结构差异,所制备的具有较高的结晶度和晶区完整性。考虑到碳纤维性能由初生纤维取向决定,对凝胶纺丝过程所得到的初生纤维取向进行研究对后续高性能碳纤维的制备具有十分重要的意义。本论文主要研究了不同外场因素下凝胶纺丝初生纤维取向变化规律,主要以傅里叶红外光谱(FTIR)作为研究手段,利用红外二向色性技术研究凝胶纺丝初生纤维的分子链取向变化特征,分别从牵伸、剪切、凝固浴温度、纺丝液温度四个不同方面对初生纤维分子链取向规律进行表征。在此基础上,以广角X射线衍射(WAXD)为手段,研究了凝胶纺丝初生纤维的晶区取向变化规律,并辅以偏振拉曼对纤维取向的径向分布进行了基础研究,全面地对凝胶纺丝初生纤维的取向进行研究,结果表明:(1)建立了一系列凝胶纺丝体系的表征手段:通过对纺丝液粘弹性交点的测定即为凝胶转变点,即纺丝液从流体向凝胶态转变的温度临界点,为凝胶纺丝温度条件的设定提供了基础。SEM观察到凝胶纺丝初生纤维截面表观均匀没有明显缺陷,相比湿法纺丝中常见的皮芯结构具有极大优势,可牵伸倍数更大,不易断裂。偏振拉曼对初生纤维取向的径向分布进行表征,进一步说明凝胶纺丝生成的纤维结构均匀。(2)研究力场对凝胶纺丝初生纤维取向的影响规律,分子链在作用力的引导下沿一定方向有序排列,初生纤维的取向因子与牵伸倍数呈现正相关,同时与剪切速率也是正相关,即随着两者增大而增大。剪切速率与牵伸成负相关,剪切速率较小时可牵伸倍数较大。(3)研究温度场对凝胶纺丝初生纤维取向的影响规律,凝胶纺丝是在低温下使纤维成形,取向随纺丝液温度的升高而增大,随凝固浴温度的降低而增大。纺丝液中,温度主要作用使大分子链获得动能,沿力的方向运动,而凝固浴中,低温有利于凝胶态的形成并维持纤维的固有取向。利用WAXD对晶区取向进行表征,可知凝胶纺丝初生纤维同时具备良好的分子链取向和晶区取向。